Синергетические представления о

ВЫСОКООРГАНИЗОВАННОЙ МАТЕРИИ

8.1. Самоорганизация в неживой природе.

8.2. Самоорганизация в живой природе.

8.3. Принципы универсального эволюционизма.

8.1. Самоорганизация в неживой природе

Для замкнутых систем немецкий физик Рудольф Клаузиус

(1822 – 1888) использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие энтропии, которое впоследствии австрийский физик Людвиг Больцман (1844 – 1906) интерпретировал в терминах измененияпорядка в систем е. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. В таком случае второй закон термодинамики постулирует:

«Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает».

А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в весьма своеобразной форме, а именно в форме необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток прошла система в своей эволюции.

В то время как в дарвиновской теории происхождения новых видов растений и животных путем естественного отбора эволюция направлена на выживание более совершенных организмов и усложнение их организации, в термодинамике эволюция связывалась с дезорганизацией систем. Это противоречие оставалось неразрешенным вплоть до 60-х гг. нашего века, пока не появилась новая, неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию необратимых процессов.

Классическая термодинамика оказалась неспособной решить и космологические проблемы характера процессов, происходящих во Вселенной. Первую попытку распространить законы термодинамики на Вселенную предпринял один из основателей этой теории – Р. Клаузиу с, выдвинувший два постулата:

• энергия Вселенной всегда постоянна;

• энтропия Вселенной всегда возрастает.

Если принять второй постулат, то необходимо признать, что все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть и никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя. Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученых и философов, но в середине прошлого века было еще мало научных аргументов для опровержения мнения Р. Клаузиуса и обоснования альтернативного взгляда. Некоторые авторы предполагали, что наряду с энтропийными процессами в природе происходят антиэнтропийные процессы, которые препятствуют наступлению «тепловой смерти» во Вселенной. Другие высказывали сомнение в правомерности распространения понятий термодинамики, в частности энтропии, с отдельных систем на Вселенную в целом. Но только единицы догадывались, что само понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущей абстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются в природе.

В отличие от закрытых, или изолированных, открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Все реальные системы являются открытыми. В неорганической природе они обмениваются с внешней средой, которая также состоит из различных систем, обладающих энергией и веществом. В социальных и гуманитарных системах к этому добавляется обмен информацией. Информационный обмен осуществляется и в биологических системах, например при передаче генетической информации.

В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды.

8.2. Самоорганизация в живой природе

Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации может служить работа лазера, котором возникают кооперативные процессы и обеспечивается самоорганизация системы. Изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, немецкий физик Герман Хакен (р. 1927) назвал новое научное направление исследований синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает совместное действие, или взаимодействие, и хорошо передает смысл и цель нового подхода к изучению явлений.

В качестве примера можно рассмотреть самоорганизацию, которая возникает при протекании химических реакций. В них она связана с поступлением извне новых реагентов, т. е. веществ, обеспечивающих продолжение реакции, с одной стороны, и выведение в окружающую среду продуктов реакции, с другой стороны.

Открытие самоорганизации в простейших системах неорганической природы, прежде всего в физике и химии, имеет огромное научное и философско-мировоззренческое значение. Оно показывает, что такие процессы могут происходить в фундаменте самого «здания материи», и тем самым проливает новый свет на взаимосвязь живой природы с неживой. С такой точки зрения возникновение жизни на Земле не кажется теперь таким редким и случайным явлением, как об этом говорили многие ученые раньше. С позиции самоорганизации становится также ясным, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность разнообразныхсамоорганизующихся процессов, которые служат основой любой эволюции.

Как же объясняет современная наука, и в частности, синергетика, процесс самоорганизации систем?

1. Для этого система должна быть открытой, потому что закрытая, изолированная система в соответствии со вторым законом термодинамики в конечном итоге должна придти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком или дезорганизацией.

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точкитермодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому неспособна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум ее самодезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и, в конце концов, придет в состояние полной дезорганизации.

3. Если упорядочивающим принципом для изолированных систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале могут подавляться и ликвидироваться системой. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и, в конце концов, приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового. Этот процесс обычно и характеризуют как “ принцип образования порядка через флуктуации”. Поскольку флуктуации носят случайный характер (а именно: с них начинается возникновение нового порядка и структуры), то становится ясным, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов.

4. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип – положительную обратную связь. Функционирование различных технических регуляторов и автоматов основывается на принципе отрицательной связи, т.е. получении обратных сигналов от исполнительных органов относительно положения системы и последующей корректировки этого положения управляющими устройствами. Для понимания самоорганизации следует обратиться к принципу положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит, в конце концов, к возникновению нового порядка и структуры.

5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, с опровождаются нарушением симметрии. Мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

6. Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

Мы перечислили необходимые, но далеко не достаточные условия для возникновения самоорганизации в различных системах природы. Можно сделать вывод, что чем выше мы поднимаемся по эволюционной лестнице развития систем, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, которые играют роль в самоорганизации.

Синергетика - это наука, занимающаяся изучением процессов взаимопревращения различных видов энергии. Ею установлено, что взаимное превращение тепла и работы неравнозначно. Работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно. Это означает, что во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направленность! Напомним, что согласно второму началу термодинамики по Р. Клаузиусу: «Теплота переходит самопроизвольно от более горячего тела к холодному» (в более широком смысле “любая система переходит из состояний менее вероятных в более вероятные”).

После замены модели стационарной Вселенной на эволюционирующую, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов – от элементарных и субэлементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до звездных и галактических систем, – несоответствие классических законов естествознания и результатов наблюдений стало еще более явным. Ведь если принцип возрастания энтропии столь универсален, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Случайным «возмущением» в целом равновесной Вселенной их не объяснить. Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции. Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовыватьс я и самоусложняться.

Общий смысл комплекса синергетических идей, которые развивают эти направления, заключается в следующем:

• процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны;

• процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются.

Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, при помощи которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и неживой природе. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые отвечают как минимум двум условиям. Прежде всего они должны быть:

• открытыми, т.е. обмениваться веществом и энергией с внешней средой; и

• существенно неравновесными, или находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия.

Но именно такими являются большинство известных нам систем. Если считать Вселенную открытой системой, то что может служить ее внешней средой? Современная физика полагает, что для вещественной Вселенной такой средой является вакуум.

Итак, синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой системы наблюдаются два фазы:

1) период плавного эволюционного развития, с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию;

2) выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Важная особенность второй фазы заключается в том, что переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров (точка бифуркации) система из состояния сильной неустойчивости как бы «сваливается» в одно из многих возможных, новых для нее устойчивых состояний. В этой точке эволюционный путь системы, можно сказать, разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана – решает случай! Но после того как «выбор сделан» и система перешла в качественно новое устойчивое состояние – назад возврата нет. Этот процесс необратим. А отсюда следует, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты возможных путей эволюции системы, но какой именно будет выбран – однозначно спрогнозировать нельзя.

Аналогичные процессы самоорганизации в других классах открытых неравновесных систем – это механизм действия лазера; рост кристалло в; «химические часы» (реакция Белоусова – Жаботинского); формирование живого организма; динамика популяций; рыночная экономика, когда хаотичные действия миллионов отдельных элементов приводят к образованию устойчивых и сложных макроструктур.

8.3. Принципы универсального эволюционизма

Глобальный эволюционизм – это признание невозможности существования Вселенной и всех порождаемых ею менее масштабных систем вне развития, эволюции. Эволюционирующий характер Вселенной, кроме того, свидетельствует о принципиальном единстве мира. Каждая составная часть мира есть историческое следствие глобального эволюционного процесса, начатого Большим взрывом.

Самоорганизация – наблюдаемая способность материи к самоусложнению и созданию все более упорядоченных структур в ходе эволюции. Механизм перехода материальных систем в более сложное и упорядоченное состояние, по-видимому, сходен для систем всех уровней.

Есть еще одна особенность современной научной картины мира, отличающая ее от прежних вариантов. Она заключается в признании историчности, а следовательно, принципиальной незавершенности настоящей, да и любой другой научной картины мира. Та, которая есть сейчас, порождена как предшествующей историей, так и специфическими социокультурными особенностями нашего времени. Развитие общества, изменение его ценностных ориентаций, осознание важности исследования уникальных природных систем, в которые составной частью включен и человек, меняют стратегию научного поиска, само отношение человека к миру. Развивается и Вселенная. Развитие общества и Вселенной осуществляется в разных темпоритмах. Однако их взаимное наложение делает идею создания окончательной, завершенной, абсолютно истинной научной картины мира практически неосуществимой.

Наиболее наглядно принцип глобального эволюционизма можно проиллюстрировать на примере современных концепций образования и развития Земли и Солнечной системы. Так называемая идея Гей-Земли предполагает, что наша планета является “живой”, так как отвечает практически всем необходимым критериям. Прежде всего – это открытая система и все время существования ее энтропия не повышалась, благодаря процессам упорядочения. В принципе, живые организмы, которые на протяжении всей ее истории изменяли характер биосферы, по сути – ее часть, обладающая чертой самоорганизации. В настоящее время, когда считается что воздействие человека сравнялось по уровню с геологическими факторами, один вид живого за счет собственных затрат энергии проводит огромную работу по упорядочиванию (хотя скорее всего этот процесс идет опосредованно, без полного осознания). Хотя, нельзя забывать о диалектическом единстве происходящих процессов, т.е. о факторе повышения упорядоченности (создание каналов, супермостов, транстрасс, строительных сооружений, боевых арсеналов и убежищ, новых биологических видов, новых химических соединений, космических станций и проч.) с одновременным сохранением или увеличением угрозы уничтожения созданного, а значит перехода этого вещества, форм энергии в новое, не- или иначе упорядоченное состояние.

И, второй пример, эволюция Солнечной системы в соответствии с представлениями о торсионных полях. В этом случае становится понятным и закономерным ряд параметров планет нашей системы – плотности, скорости и направления вращения, размеров и массы и т.п. Высказан целый ряд гипотез зарождения и развития человека и иных живых существ, их трансвекового преобразования. По большому счету, раз мы (и Солнечная система, и Земля, и человечество) являемся частью Вселенной, то скорее всего мы – открытые системы и развиваемся по соответствующим законам, которые обязательно следует учитывать для более плавного, бескризисного развития…

Таким образом, в §8 представлены сведения о самоорганизации в неживой природе, полученные на основе представлений о замкнутых системах. Показано, что время их существования ограничено за счет возрастания энтропии. На основе синергетических представлений об открытых системах показано, что они могут поддерживать постоянным или даже снижать уровень энтропии за счет обмена с внешней средой веществом, энергией, информацией. Развитие живого при этом идет благодаря наличию флуктуаций и положительной обратной связи. Показано что процессы самоорганизации и самоусложнения происходят при нарушении симметрии в системах, т.е. когда они находятся в дали от равновесия. С точки зрения синергетики выдвинута прогрессивная гипотеза об эволюционном развитии солнечной системы.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение энтропии. Как она характеризует степень

упорядоченности системы?

2. Второй закон термодинамики для замкнутых систем.

3. Объясните правомерно ли положение о «тепловой смерти Вселенной»?

4. Как осуществляется информационный обмен в биологических структурах?

5. Раскройте понятие «синергетика».

6. Каковы основные процессы самоорганизации систем?

7. Могут ли материальные системы снижать свою энтропию?

8. Какие две фазы необходимы для развития открытых систем?

9. Что такое глобальный эволюционизм?

10. Проявления глобального эволюционизма на Земле и в Космосе.

§9. ПЕРСПЕКТИВЫ СИНТЕЗА ЕДИНОЙ КУЛЬТУРЫ

9.1. Составные части культуры.

9.2. Различные описания мира как элемент культуры.

9.3. Путь к единой культуре.

9.1. Составные части культуры

Естествознание – система знаний о природе; раздел науки, который изучает окружающий нас мир как он есть, в его естественном состоянии, существующий независимо от человека.

Наука – система знаний о явлениях и процессах объективного мира и человеческого сознания, их сущности и законах развития; наука как социальный институт есть сфера деятельности людей, в которой вырабатываются и систематизируются научные знания о явлениях природы и общества.

Концепциями естествознания – называют результаты научных исследований выраженных в виде научных теорий, законов, моделей, гипотез, эмпирических обобщений.

Достижения естественных наук являются составной частью общечеловеческой культуры и «Концепции современного естествознания» как раз такой учебный курс, который должен показать роль и значение естествознания в понимании окружающего мира и в осознании места человека в этом мире, в формировании научной картины мира.

Существуют десятки определения термина «Культура».

Культура – (от латинского cultura – возделывание, воспитание, образование, развитие) будет использоваться как определение понятия в рамках нашего курса в следующих смыслах:

1.«Культура – исторически определенный уровень развития общества и человека, выраженный в типах и формах организации жизни и деятельности людей, а также в сознательных или материальных и духовных ценностях» (Большая Советская Энциклопедия).

2. «Культура – принятая в данном обществе система ориентиров, позволяющая человеку определить свое место и роль в мире, оценить свершившееся и выбрать образ действий на будущее» (В.В.Свиридов).

Все созданное человечеством, все что отличается от природы входит в понятие «культура» – разделяясь на материальную, социальную и духовную культуры.

К составным частям культуры относятся наука, религия, искусство, промышленность и т.д. Каждая из этих составных частей пытается отразить окружающий мир с помощью своих выражений и закономерностей, отразить его возможно более полно. Рассмотрим отражение окружающего мира с позиций науки.

Дифференциация знаний о природе, связанная с выделением исследуемых явлений, процессов, выработкой методов их изучения и в связи с общностью полученных результатов, привела к созданию естественных наук (начиная с конца 18 века): физики, химии, биологии, географии, геологии, астрономии, психологии.

В настоящее время попытки представить мир как единое целое, выявить наиболее общие закономерности Вселенной выразились в создании обобщенной, интегративной науки – естествознания и, самое главное, сделать глубокие философские, методологические выводы об универсальности действия всеобщих законов эволюции, системной организации и самоорганизации окружающего мира. Вместе с принципом историчности они позволяют говорить об объективном восприятии, понимании того мира, в котором мы живем, уяснении целей и смысла существования нашей цивилизации.

В целом наш курс КСЕ затрагивал такие темы: эволюцию естественнонаучной картины мира (историю естествознания); современную научную картину мира; основные современные космологические представления; основные гипотезы происхождения жизни и человека; место человека во Вселенной, место науки в современном мире и прогнозирование ее развития.

Успехи естественных наук связаны с их определяющим положением в развитии материального производства, в научно – техническом прогрессе.

Естественные науки исследуют неорганическую природу (физика, химия и др.), и живую (органическую природу) биология, психология. Языком описания природы является математика, позволяющая выразить количественные закономерности изучаемых процессов и явлений.

Гуманитарные науки обращены к человеческой личности, к правам и интересам человека, изучают общество: этика, религиоведение, юриспруденция, искусствоведение, философия, литературоведение, педагогика.

Искусственное разделение естественнонаучной и гуманитарной составляющих культуры, обострившееся в 70-80 годах ХХ столетия сейчас преодолевается признанием их в качестве неотъемлемых и взаимосвязанных частей культуры.

В учебниках приводятся аргументы, подтверждающие взаимосвязь естественнонаучной и гуманитарной составляющих культуры:

– они возникли и существуют вследствие потребностей, интересов человека и человечества в создании оптимальных условий для самосохранения и самосовершенствования;

– входят в систему научных знаний о мире, человеке, обществе;

– используют взаимный опыт, результаты;

– антропная (человеческая) основа этих составляющих культуры выражает единство природы и общества;

– стимулируют появление новых междисциплинарных областей знания на стыках естественных и гуманитарных наук.

Таким образом, в настоящее время наблюдается все большее взаимопроникновение как различных направлений наук (гуманитарных и естественных), так и отдельных отраслей культуры (науки в спорт, промышленность, искусство, армию, религию …).

9.2. Различные описания мира как элемент культуры

Окружающий мир – един. Это основная мысль изучаемого нами предмета КСЕ. Однако он состоит, как и любая другая система, из отдельных элементов. Каждый из этих элементов, являясь подсистемой, не может в принципе отразить всей полноты системы в целом. Но, для более адекватного существования подсистеме необходимо иметь представления о месте и времени своего существования. Отсюда и возникает противоречие, связанное с принципиальной невозможностью адекватного отражения.

Наиболее наглядно эти противоречия видны на примере существования человечества, так как мы сами, находясь “внутри” знаем о себе достаточно много. На различных этапах развития от некоего среднего уровня наблюдаются отклонения – флуктуации – часть людей понимает окружающий мир иначе, чем большинство. Однако, по законам отрицательной обратной связи им грозит уничтожение. Поэтому, спонтанно, подсознательно (а позже и сознательно) они объединяются в группы. Эти новые группы пытаются представить мир с иных, неизвестных ранее позиций. Здесь-то и возникают новые элементы культуры. Причем, они отражают возможности данного, настоящего пространства и времени. На одних этапах рождаются мифы, затем – религиозные представления, затем появляются разновидности религиозных представлений, различные виды искусств, научные закономерности, промышленность различного уровня…

С учетом известного выражения о том, что политика – это сконцентрированная экономика, возникают государственные образования, страны и их объединения. Причем, подчеркнем еще раз, каждый элемент старается отразить целое исходя из своих (ограниченных) возможностей. Противоречия на этом этапе приводят не к видению общего, но к попыткам устранить, предать забвению иные представления. Это тоже путь развития, но он проходит через “отрицание отрицания”. К середине ХХ века сложилась ситуация, когда данный путь развития стал невозможным. Любые представления с тех пор должны были учитывать и иные, возможно на данный момент непопулярные точки зрения. Стали быстро развиваться синергетические представления. Сейчас существует вероятность понимания всеобщности развития, взаимосвязи всех процессов, их необходимости и дополнительности. Однако, существование противоречий на иных уровнях развития материи возможны в силу неравномерности развития, которая присуща материи вообще…

Науки и религии разных эпох ставили своей целью установление тех или иных представлений о мире. Главная же мысль настоящего момента – взаимодополнение элементов культуры, на основании которого может быть создана наиболее полная, адекватная, полезная картина нашего прошлого, настоящего, будущего…

9.3. Путь к единой культуре

Путь к единой культуре – безусловно именно на нем сейчас сосредоточено человечество. Но, он не прост, неоднозначен, так как существует тенденция поддержания различий элементов любой системы. Движение к единству – это не движение к однообразию, а взаимодействие, и все более гармоничное, к лучшему взаимодействию элементов, дополняющих существование друг друга…

Собственно, путь к единой культуре подразумевает формирование дисциплин типа КСЕ и футуристических представлений. В области гуманитарных наук необходимым элементом является с одной стороны выделение всеобщих ценностей, но при этом все более значимым становится и учет особенностей отдельных элементов данной системы.

Контрольные вопросы:

1. Что такое «естествознание»?

2. Что такое «наука»?

3. Что такое «концепции естествознания»?

4. Дайте определение «культуре».

5. Что такое «дифференциация знаний»? «интегративность науки»?

6. Каков язык описания окружающего мира в гуманитарных и естественных

науках?

7. Какое понятие шире «культура», «наука», «жизнь», «религия»?

8. Приведите аргументы, подтверждающие взаимосвязь двух составляющих

культуры.

9. Приведите примеры описания мира как элемента культуры.

10.Рассмотрите пути формирования единой культуры в современном мире.

Список литературы

1. Лавриненко В.Н., Ратников В.П., Баранов Г.В. и др. Концепции современного естествознания. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2002. 271 с.

2. Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания. Курс лекций.- Ростов на Дону.: Феникс, 2002. 478 с.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. – М: Высшая школа, 2004. 544 с.

4. В.В.Свиридов. Концепции современного естествознания. Уч. пособие.- 2-е изд.-С.Пб.: Питер. 2005. 349 с.

5. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учеб.- М.: Высшая школа, 2000. 334 с.